2 2第五章第五章 蛇形机器人蛇形机器人• 概 述 • 蛇形机器人的运动模式分析 • 蛇形机器人结构形式 • 蛇形机器人运动形式 • 蛇形机器人的发展方向一、概 述一、概 述6 6一、概一、概 述述蛇是无四肢动物中最庞大得一类，它在自然界中有几 千年的进化历史，种类繁多，分布广泛，它能进行多种 运动以适应不同得生活环境（沙漠、水池、陆地、树林 等）,仿蛇形机器人就在这种背景下诞生了 近几年来，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越 重要的位置对于障碍物众多、凸凹不平、以及狭窄地 形等环境，类似蛇形的机器人有较大的运动优势，可以 满足多种用途7 71）美国宇航局(NASA)的SnakeBotNASA于1999年开始研究多关节的蛇形机器人，计划在 其太空计划中用于行星地表探测以及空间站维护工作其第 一代蛇形机器人如图所示它采用相邻正交的串联机构，由 中央计算机集中控制该机器人能完成蠕动前进，游动前进 ，翻越简单障碍物等功能该蛇形机器人结构简单合理，对 目前的蛇形机器人结构产生了很大的影响8 82）德国Gavin.H S1-S5德国人Gavin.H从约1997年开始从事蛇形机器人的研究 工作，到目前为止共设计并制作了S1,S2,S3,S4,S5五代蛇形机 器人，图3为S5。
其研究已经达到相当高的水平，特点是：各 个关节形状尺寸不同，高度模拟生物蛇；为二维结构，无法 完成三维空间运动；依靠从动轮而不是摩擦运动，运动速度 很高，主要运动方式为游动9 93）德国GMD国家实验室的AiS德国GMD国家实验室也开发 出了基于模块式结构和CAN总线 的蛇形机器人，其结构为三维关 节，每关节有三个电机及六个力 矩传感器，六个红外传感器，因 此结构相当复杂，直径达20cm左 右其控制方式为上位机 总 线 下位机目前该机器人具 有速度及位置闭环，能翻越简单 障碍，具有一定的自主反应能力 10104）国防科大RoboSnake国防科大RoboSnake是国内最早报道的蛇形机器人，最初为 二维结构，依靠从动轮前进，长约1.5米，重约3Kg共分十七节 它能在地上或草丛中自主地蜿蜒运动，前进、后退、转弯和加速等 都活动自如，最大运动速度可达每分钟二十米最有趣的是，披上 “蛇皮”后，它还能像蛇一样在水中游泳，摆动着的“身躯”激起层层 涟漪 11115）中科院沈阳自动化所蛇形机器人同样采用正交串联结构，可以完成蠕动前进、游 动前进、滚转等运动并给予可重构的思想提出一种新 型结构。
1212二、蛇形机器人的运动模式分析二、蛇形机器人的运动模式分析第一种是侧摆和起伏，所有的蛇都能以这种方式 向前爬行爬行时，蛇体在地面上作水平波状弯曲， 使弯曲处的后边施力于粗糙的地面上，由地面的反作 用力推动蛇体前进，如果把蛇放在平滑的玻璃板上， 那它就寸步难行，无法以这种方式爬行了，当然，在 自然界是不会有像玻璃那样光滑的地面的1313第二种是直线运动，即履带式运动由于蛇没有胸 骨，它的肋骨可以前后自由移动，肋骨与腹鳞之间有 肋皮肌相连当肋皮肌收缩时，肋骨便向前移动，这 就带动宽大的腹鳞依次竖立，即稍稍翘起，翘起的腹 鳞就像踩着地面那样，但这时只是腹鳞动而蛇身没有 动，接着肋皮肌放松，腹鳞的后缘就施力于粗糙的地 面，靠反作用把蛇体推向前方，这种运动方式产生的 效果是使蛇身直线向前爬行，就像坦克那样1414第三种方式是伸缩运动，蛇身前部抬起，尽力前 伸，接触到支持的物体时，蛇身后部即跟着缩向前去 ，然后再抬起身体前部向前伸，得到支持物，后部再 缩向前去，这样交替伸缩，蛇就能不断地向前爬行 在地面爬行比较缓慢的蛇，如铅色水蛇等，在受到惊 动时，蛇身会很快地连续伸缩，加快爬行的速度，给 人以跳跃的感觉。
1515第四种方式是侧向移动，从头部开始，身体部分 顺次接地、抬起，完成前进运动，借助腹部与地面之 间的摩擦力移动这种运动形式常见于沙地环境中的 蛇类运动 另外，蛇的其他运动形式有：跳跃、绕身体脊椎 的回转、利用障碍物推动身体运动、蠕虫运动、滑行 冲击等1616每组传动装置包括：1台直流伺服电机，1组一级齿轮减速，1组 丝杠螺母传动，以及1个球形连接关节底部有1个滑动轴承作为轮 子以减少摩擦在各单元节之间的附加球型关节使得仿蛇机器人在 地表的明显不规则运动得到一定补偿在大多数运动模式下，每个 铰链的运动或每个单元节的垂直方向自由度,并非由机器人控制器 控制,而是由地表的几何形态进行被动的控制仿蛇机器人的所有 单元节以同样地方式进行设计蛇体结构一三、蛇形机器人结构形式1717蛇体结构二1818蛇体结构三该结构是X-Y轴对称的，因此SolidSnake可以随时在X-Y 正交串联结构（三维结构）和X/Y单方向串联结构（二维结构 ）之间转换，以适应不同的环境三维结构更适用于复杂地形 ，上楼梯，越障等任务，二维结构可以在平坦地形达到更高的 运动效率1919四、蛇形机器人运动形式四、蛇形机器人运动形式蠕动前进示意图2020上楼梯运动示意图五、蛇形机器人的发展方向五、蛇形机器人的发展方向机构的可重构是一个机械系统由一种或几种相同的智能模块构成 ，不同模块的不同组合可以改变结构的形状和大小，以适应不同工作 的需求。
如果一个系统能够自主地动态地改变其结构，那么它就能动 态的适应各种环境和任务，单元的模块化是实现可重构的基础模块 化的概念既包括机械部分又包括电子硬件和控制软件模块可重构机 器人由许多模块组成，这些模块能以多种方式断开和连接，形成具有 不同功能的新系统模块可重构机器人有三个显著特点，通用性、鲁 棒性和经济性它的通用性主要表现在未知的环境下，如星空探索、 海底挖掘、地震救灾等由于要完成的任务为知，不可能事先设计特 定的工具这就要求有一个可以感知环境并做出决策的可重构系统 模块可重构系统的另一个特点是鲁棒性高，它可以利用冗余度和全局 反馈补偿个别模块的局部误差；它还有自修复能力，即它可以自动丢 弃损坏的关节，并由功能不重要的关节替代可重构系统的经济性试 制多种形式的系统可以由大量相同模块和少量不同模块构成，大量的 相同模块系统的设计、制造、装配过程是统一的，这大大减少了制造 成本2121（1）结构上自重构自己是从硬件方面来说，有线控制大大减少了蛇形机器人的移 动范围，所以要求组成控制的硬件（电源、传感器、驱动器、 CUP）集于一个板上，采用无线通讯，无线能量传递由于一个模块就是一个智能主体，它由自己CPU、能量来源， 并能对自身的传感器和执行器的控制。
通常蛇形机器人的运动速 度不是由电机的功率决定，而是由能源和计算机的容量限制由 于蛇形机构的小型和轻型化，受电源的体积和重量限制，很难把 它集中在一个小的模块中，而利用无线能量传输或太阳能，则具 有严重的效率问题，如何实现机器人的能量自己还有待解决自主是从软件上来说，即它不需要外界的参与，自主判断并 做出控制决策当蛇形机器人在特殊环境下作业时，要求主体自 动分解成几部分，每部分各自完成任务后，再构为一体，因此这 里的自给，自主不但指整体，而且要每个模块也具有同样的特性 ，并能和主体协调通讯每个模块的单片机必须对模块整体独立 控制，其它的模块与其进行通讯（或者要求运动，或者读取传感 器信息），系统的全局控制可以用另外一个计算能力很强的计算 机进行集中控制或靠多个智能体的协调实现分布式控制2222（2）能量自给，运动自主（3）地面特征识别技术的研究传感器压杆传感装置关节模块传感装置安装示意图底面识别平坦的硬地面、软土、沙地(4)基于GPS的蛇形机器人定位方法的研究 对于用于野外工作的蛇形机器人，定位是个关键问题基于GPS的定位方法是目前应用最广的方法目前实验定位精度< 15米我们在探索应用我国的北斗导航定位系统进行定位的方案。
天线处理单元微处理器GPS进行定位的原理图（5）应用研究监控站操作台监视器传 感 器蛇形机器人作业单元蛇形机器人作业系统框图车底探查实验l结合国家反恐防暴的需求 谢谢！本文观看结束！！！谢 谢欣 赏！。